АСУТП как основа автоматизации технологических процессов



Министерство образования РФ

Московский государственный открытый университет

 

 

Кафедра электропривода и автоматизации

промышленных установок

 

Соснин О.М.

Основы автоматизации технологических

процессов

 

 

Москва 2006

 

 

Содержание

Перечень принятых обозначений

Основные понятия и термины

Введение

Контрольные вопросы к введению

Глава 1. Автоматизированные системы управления технологическими процессами

1.1. АСУТП как основа автоматизации технологических процессов

1.2. Основные функции и структура АСУТП

1.3. Структура и основные функции УВМ

Контрольные вопросы к главе 1

Глава 2. Информационное обеспечение АСУТП

2.1. Энтропия как мера информации

2.2. Количественная оценка информации

2.3. Кодирование информации

2.4. Двоичные коды

2.4.1. Экономичность двоичного кодирования

2.4.2. Арифметические двоичные коды

2.4.3. Неарифметические двоичные коды

2.5. Передача информации по каналам связи

2.5.1. Промышленные информационные сети

2.5.2. Последовательные интерфейсы по стандартам RS232C и RS485

2.5.3. Защита информации от искажений

2.6. Организация обмена информацией в АСУТП

2.6.1. Информационная структура АСУТП

2.6.2. Информационные сети Ethernet

2.6.3. Структура физической среды Ethernet

2.6.4. Контроллерные и полевые сети

2.6.5. Диспетчеризация в рамках АСУТП

Контрольные вопросы к главе 2

Глава 3. Моделирование технологических объектов, управляемых АСУТП

3.1 Алгоритмы функционирования

3.2 Аналитические методы моделирования

3.3 Моделирование технологических циклов

3.4 Экспериментальные методы получения моделей

3.4.1. Одномерные модели

3.4.2. Многомерные модели

Контрольные вопросы к главе 3

Глава 4. Алгоритмы управления в АСУТП

4.1 Задачи управления в АСУТП

4.2 Алгоритмы стабилизации управляющих параметров

4.3 Алгоритмы автоматической оптимизации

4.3.1. Статическая и динамическая оптимизация

4.3.2. Симплексный метод линейного программирования

4.4. Градиентные методы автоматической оптимизации

4.4.1. Поиск экстремума целевой функции

4.4.2. Автоматическая оптимизация электрохимической обработки

4.4.3. Поиск предельно допустимого оптимального режима

4.5. Применение методов нечеткой логики в АСУТП

4.5.1. Понятия и операции нечеткой логики

4.5.2. Синтез нечеткого регулятора положения

Контрольные вопросы к главе 4

Глава 5. Алгоритмы управления технологическим циклом

5.1. Задачи управления технологическим циклом

5.2. Синтез алгоритмов комбинационных схем управления

5.3. Схемная реализация релейно-контактных комбинационных схем

5.4. Схемная реализация комбинационных схем на логических элементах

5.5. Синтез алгоритмов последовательностных автоматов

5.5.1. Общая структура последовательностного автомата

5.5.2. Составление схемы простейшего автомата

5.6. Реализация алгоритмов управления последовательностных автоматов

5.6.1. Виды запоминающих устройств

5.6.2. Триггеры

5.6.3. Регистры

5.6.4. Преобразователи кодов и арифметические устройства

5.7. Обобщенные алгоритмы управления технологическим циклом

Контрольные вопросы к главе 5

Глава 6. Особенности проектирования АСУТП

6.1. Основные задачи и принципы проектирования

6.2. Этапы разработки и внедрения АСУТП

Контрольные вопросы к главе 6

Глава 7. Системы программного управления производственными установками

7.1 . Назначение и общая структура

7.2 . Локальные системы программного управления

7.3 . Программируемые контролеры

7.3.1. Структура ПЛК

7.3.2. Языки программирования ПЛК

7.3.3. Язык программирования IL

7.4. Устройства числового программного управления 

7.5. Программирование УЧПУ

7.6. Исполнительные устройства УЧПУ

Контрольные вопросы к главе 7

Литература

Приложения

Приложение 1. Таблицы кодов обмена информацией в АСУТП

Приложение 2. Базовые понятия теории вероятностей

Приложение 3.Элементы булевой алгебры формальной логики

Приложение 4. Символы и функции стандартного кода ISO-7 для ЧПУ (ГОСТ 20999-83)

 

Перечень принятых сокращений

АЛУ – арифметико-логическое устройство;

АРМ – автоматизированное рабочее место;

АСТПП – автоматизированная система технологической подготовки производства;

АСУП – автоматизированные системы управления производством (по отраслям);

АСУТП – автоматизированная система управления технологическим процессом;

АЦП – аналого-цифровой преобразователь;

БИС – большие интегральные микросхемы (высокой степени интеграции);

ВЗУ – внешнее запоминающее устройство;

ВУ – внешнее устройство;

ГПМ – гибкий производственный модуль;

ГПС – гибкая производственная система;

ЗУ – запоминающее устройство;

ЛУВМ – локальная УВМ;

МОТИ – модули обработки текущей информации;

МП – микропроцессор;

ОЗУ – оперативное запоминающее устройство;

ПБ – процессорный (системный) блок;

ПЗУ – постоянное запоминающее устройство;

ПИД – пропорционально-интегрально-дифференциальный (регулятор);

ПК – промышленный компьютер;

ПЛК – программируемый логический контроллер;

ПО – программное обеспечение;

ПУ – пульт управления;

САПР – система автоматизированного проектирования;

СПУ – система программного управления;

СУЭП – система управления электроприводом;

ТО – технологический объект;

ТП, или техпроцесс, – технологический процесс;

УВВ – устройства ввода-вывода информации (параллельный или последовательный интерфейсы);

УВМ – управляющая вычислительная машина;

УП – управляющая программа;

УСО – устройство связи с объектом;

УФС – устройство формирования состояний (управляющее устройство);

УЧПУ – устройство ЧПУ;

ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь;

ЦУВМ – центральная УВМ;

ЧПУ – числовое программное управление;

ЭВМ – электронная вычислительная машина;

ASCII – American Standard Code for Information Interchange (американский стандартный код для обмена информацией);

CAD – Computer Aided Design (САПР);

CAM – Computer Aided Manufacturing (АСУТП);

Ethernet – наиболее распространенная стандартная сетевая технология для создания локальной информационной сети (Этернет);

IEC – International Electrotechnical Commission (МЭК, Международная электротехническая комиссия);

IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers (Институт инженеров по электротехнике и электронике), США;

ISO – International Standardization Organization (Международная организация стандартизации).

 

Основные понятия и термины

 

Автоматизация технологических процессовсостоит в том, что функции контроля и управления, ранее выполнявшиеся человеком, передаются автоматическим управляющим устройствам и контрольно-измерительной аппаратуре. Управляющие устройства, получая информацию по каналам обратной связи о ходе техпроцесса, формируют управляющие сигналы, обеспечивающие функционирование технологического объекта (ТО) в оптимальном рабочем режиме.

1.

АСУТП –это совокупность аппаратных средств и их программного обеспечения, предназначенных для управления сложным ТО. АСУТП обеспечивает оптимальный уровень автоматизации сбора, накопления и переработки информации о техпроцессе и формирование таких управляющих воздействий на исполнительные устройства, что работа ТО происходит в оптимальном режиме.

УВМ –это совокупность управляющих устройств АСУТП, выполненных на базе микропроцессорной техники и составляющих конструктивное целое.

Иерархическая структура АСУТПобусловлена тем, что АСУТП реализует централизованное управление с помощью центральной УВМ (ЦУВМ).Однако ЦУВМ управляет исполнительными устройствами не непосредственно, а через локальные УВМ (ЛУВМ), каждая из которых отвечает за определенный участок техпроцесса ( см рис. 1,1).

УСО –устройства связи с объектом, входящие в состав УВМ, через которые управляющие сигналы УВМ поступают на управляемый ТО. Иногда в состав УСО включают также устройства обратной связи, через которые информация о параметрах ТО передается на УВМ. Наличие УСО является главным отличием УВМ от обычных микро-ЭВМ, решающих чисто вычислительные задачи.

2.

Информация –это процесс формирования, пересылки и регистрации сообщений, а также зарегистрированная совокупность сообщений.

Бит –двоичная единица информации, эталоном которой является информация, получаемая из опыта с двумя равновероятными исходами. Битом называют также минимальный объем записи информации на электронных или магнитных носителях, соответствующий двоичной единице или двоичному нулю.

Двоичный код –любой код, в котором используются только два символа, обозначаемые обычно 0 и 1.

Арифметический двоичный код –это позиционный весовой код, лежащий в основе двоичной системы исчисления. Вес разряда в нем равен 2n, где n – номер разряда.

Коды Грея –двоичные коды, служащие для обозначения чисел, причем обозначения соседних чисел различаются лишь одним кодовым символом.

Параллельная передача информациия –обмен информацией в виде двоичных кодовых комбинаций фиксированной длины, называемых словами.

Последовательная передача информации –обменинформацией побитно, когда биты слова пересылаются один за другим, начиная, например, с младшего бита.

Интерфейс – это совокупность правил обмена информацией между двумя соседними уровнями управления, а также совокупность проводов и иных технических средств, обеспечивающих такой обмен информацией. В настоящее время в АСУТП применяют почти исключительно стандартные интерфейсы.

Совокупность программ, устройств и проводов, которые обеспечивают обмен информацией в АСУТП в целом, называют промышленной информационной сетью.

Локальные сети АСУТП обычно построены по схеме ведущий – ведомый и употребляют интерфейс RS485 (см. рис. 2.4).

3.

Алгоритм функционирования –это математически обоснованное описание зависимости между управляющими (входными) и управляемыми (выходными) параметрами ТО; если он реализован в виде компьютерной программы, то называется моделью ТО.

    Декомпозиция алгоритма –эторасчленение алгоритма функционирования на отдельные математически однородные элементы, называемые типовыми звеньями. Модель ТО строится в виде совокупности типовых звеньев.

    Аналитические методы моделирования базируются на знании законов природы, определяющих функционирование ТО. Аналитическая модель представляет ТО в виде совокупности динамических звеньев.

    Динамическое звеноописывает элемент ТО, в котором происходит однократное преобразование энергии, дифференциальным уравнением первого или второго порядка.

    Многосвязная (многомерная) модель описывает сложный ТО с несколькими входами и выходами и с перекрестными связями между отдельными каналами.

    Одномерная модель(канал) соответствует элементу ТО с одним входом и одним выходом.

    Технологический цикл отображает циклическую последовательность сменяющих друг друга технологических операций. Для удобства описания технологический цикл делят на такты.

    Циклограммастроится в виде таблицы, в строках которой перечислены все командные и исполнительные элементы ТО, а столбцы соответствуют тактам его технологического цикла ( см. рис. 3.1.)

    Регрессиявыходного параметра у на входной параметр х- это любая функция f(x), приближенно представляющая вероятностную зависимость уот х.

    Полнофакторный экспериментпредставляет собойцикл из 2m экспериментов, где m- количество факторов, каждый из которых принимает в эксперименте либо максимальное, либо минимальное значение в заданном интервале. Остальные факторы, влияющие на поведение ТО, при этом поддерживаются неизменными.

 

4.

Алгоритмы управления определяют порядок подачи управляющих воздействий на исполнительные устройства АСУТП. Различают алгоритмы:

    -стабилизации параметров техпроцесса при различных возмущениях;

    -программного управления технологическим циклом;

    автоматической оптимизации техпроцесса в ходе выполнения производственного задания.

    Целевая функция –этострого сформулированная зависимость между параметрами техпроцесса и критерием его оптимальности.

Статическая оптимизация предполагает, что параметры оптимального функционирования техпроцесса определяются до его начала.

    Динамическая оптимизация –это поиск оптимального режима во время выполнения технологическим объектом заданной производственной программы. При этом шагом оптимизацииназывают каждую очередную попытку изменения параметров в направлении оптимального режима.

    Линейное программирование –этосовокупность методов определения параметров оптимального режима в условиях, когда целевая функция и уравнения ограничений, действующих в управляемом техпроцессе, линейны.

    Основная задача линейного программирования (см. §4.3.2):

- найти максимум функции Fц=сх

- при условиях Ахb, х  

- или найти минимум функции Fц=-сх

- при условиях -Ах≥-b, x≥0.

    При решении основной задачи линейного программирования симплексным методомуравнения ограничений представляют в виде (4.7).

    Процедура симплексного методаоснована на следующих положениях:

- совокупность точек в n-мерном пространстве Еn, ограниченная вышеприведенными условиями, образует область решений поставленной задачи; каждую точку х=(х12,…хn) из указанной области принято именовать допустимым планом; точка, в которой достигается искомый экстремум заданной целевой функции, называется оптимальным планом;

- в пространстве Еn область допустимых решений существует в виде многогранника решений , причем оптимальная точка ( оптимальный план) является одной из вершин многогранника решений; любые m линейно независимых векторов aj(j=1,2,…n, m≤n), удовлетворяющих системе уравнений (4,7), порождают точкух=(b1,b2,…bm,о,…о), являющуюся вершиной многогранника решений и называемую угловой точкой или опорным планом;

- оптимальная точка( оптимальный план) является одной из угловых, а потому при оптимизации симплексным методом переходят от одной угловой точки к другой таким образом , что при каждом переходе значение целевой функции обязательно увеличивается ( при поиске максимума целевой функции) или обязательно уменьшается (при поиске минимума).

    Градиентные методыприменяются,если выражение целевой функции или (и) уравнения ограничений техпроцесса являются нелинейными. Сущность градиентных методов заключается в том, что на каждом шаге оптимизации приращения управляющих параметров техпроцесса выбираются пропорциональными частным производным целевой функции по этим параметрам:

хij+1=хij±kj i=1,2,…n,

где xij+1- значение i-го параметра на (j+1)-м шаге оптимизации;

xij-значение того же параметра на j-том шаге оптимизации;

kj-коэффициент, определяющий величину шага на j-том шаге оптимизации, называемый также просто шагом;

 частная производная целевой функции Fц по i-тому параметру xi, соответствующая j-тому шагу оптимизации;

n- количество оптимизируемых параметров техпроцесса.

Признаком достижения оптимального режима является равенство нулю всех значений .

    Удвоение шага- увеличение или уменьшение в 2 раза значения kj без расчета новых значений с целью ускорения поиска оптимального режима и избежания рысканья.

    Предельно допустимый оптимальный режим (предельное регулирование) – это оптимальный режим, который реализуется в одной из граничных точек области допустимых значений параметров техпроцесса, когда нужный экстремум целевой функции не может быть достигнут из-за имеющихся технологических ограничений. Типичным примером предельного регулирования является линейное программирование.

 

5.

Технологический цикл представляет собой циклически повторяющуюся последовательность сменяющих друг друга технологических операций.

    Последовательностный автомат –управляющее устройство, обеспечивающее управление технологическим циклом. Такие автоматы обеспечивают управление последовательностью тактов работы ТО, причем выполнение отдельных тактов обычно связано с использованием информации, полученной по каналам обратной связи при выполнении предыдущих тактов .

    Внутреннее состояние автомата – состояние элементов ЗУ в его составе.

    Комбинационные схемы управления(комбинационные автоматы) – отдельные узлы управляющего устройства, выходные сигналы которых зависят только от комбинации входных сигналов, поступивших в текущем такте управления.

    Единичный сигнал –сигнал высокого уровня потенциала, или замыкание контакта, или намагниченный участок магнитного носителя информации.

    Нулевой сигнал –сигнал низкого уровня потенциала, или размыкание контакта, или ненамагниченный участок магнитного носителя информации.

    Таблица истинности – таблица соответствия входных и выходных сигналов комбинационной схемы управления. По таблицам истинности получают выражения логических функций схем управления

    Логическая ( булева) функцияY логических переменныхХ12,…Хnэто выражение

Y=f(X1,X2,…Xn),

полученное путем выполнения над логическими переменными операций инверсии, дизъюнкции и конъюнкции. Логические функции являются алгоритмами управления комбинационных и последовательностных автоматов.

    Метод Квайна – Мак-Класки –эторегулярная процедура упрощения выражений логических функций путем выполнения над ними операций склеивания и поглощения (см. приложение 3), применяемая для автоматизации составления схем управления.

    Метод последовательно-параллельных соединений при составлении релейно-контактных схем управления состоит в следующем:

 - логическая инверсия (функция НЕ) реализуется размыкающим контактом реле, а логическое повторение – замыкающим контактом;

 - логическое умножение (функция И) реализуется последовательным соединением контактов реле;

- логическое сложение (функция ИЛИ) реализуется параллельным соединением контактов реле.

Для дополнительного упрощения релейно-контактных схем применяются скобочные формы логических функций имостиковые структуры схемных решений.

Логические элементы – это микросхемы малой степени интеграции, реализующие простейшие логические функции.

Триггер –элемент электронного ЗУ, характеризующийся двумя устойчивыми состояниями. С точки зрения теории информации это двоичный элемент памяти, способный запомнить либо единичный, либо нулевой сигнал, поступивший на его вход. Триггер – это стандартная ячейка ОЗУ, предназначенная для хранения информации не более 1 бит.

 Арифметико-логическое устройство (АЛУ) –этокомбинационная часть последовательностного автомата, предназначенная для выполнения заданных арифметических и логических операций. Простейшие автоматы выполняют только логические операции.

Устройство формирования состояний (УФС)автоматазадает операции, которые должно произвести АЛУ в текущем рабочем такте. Функционирование УФС зависит как от сигналов, формируемых в АЛУ (сигналов обратной связи), так и от содержимого кадра УП ( см.рис.5.8). В простейших автоматах управление от внешней УП не предусмотрено.

Гонка импульсов– это эффект неодновременного формирования выходных сигналов в ответ на одновременное изменение входных сигналов. Гонка импульсов приводит к кратковременному появлению ложных сигналов на выходах управляющего устройства при асинхронном формировании управляющих сигналов.

Асинхронное управление– способ управления, при котором входные сигналы считываются, а выходные сигналы формируются в произвольные моменты времени по мере поступления входных сигналов.

Синхронное управление –способ управления, при котором считывание входных и выдача сформированных выходных сигналов производится в определенные моменты времени, называемые временем обмена информацией. В остальное время, называемое временем счета (когда формируются новые выходные сигналы) считывание входных сигналов и выдача выходных сигналов не производится. Синхронный и асинхронный способы управления сочетаются с помощью операций прерывания, когда прерывается рутинное течение синхронного процесса управления.

Синхронный триггер отличается от асинхронного триггера наличием тактового входа С (ср. рис.5.10 и 5.11), так что изменение состояния синхронного триггера возможно только после поступления синхронизирующего импульса на вход С.Синхронными триггерами являются наиболее важные виды триггеров: D-триггер, Т-триггер и JK-триггер (см. рис. 5.12. и 5.13).

Регистр– электронное устройство памяти, состоящее из группы триггеров, объединенных общим управлением, и предназначенное для записи, хранения и выдачи информации. По своему основному назначению регистры подразделяются на регистры сдвига, регистры хранения и счетные регистры (см. рис. 5.14.-5.16).

Счетчики(счетные регистры) отличаются тем, что помимо функций записи, хранения и выдачи информации выполняют функцию счета поступающих на них импульсов.

Преобразователь кода– комбинационная схема, преобразующая двоичный код входных сигналов в заданный код ее выходных сигналов. В качестве примера укажем на преобразователь кода Грея в двоичный арифметический код (см. §5.4). Преобразователь кода, преобразующий двоичный входной код в единичный код на его выходах, называется дешифратором (см. рис. 5.18. и 5.19).

Сумматор– комбинационная схема, предназначенная для сложения и вычитания (в дополнительном коде) двух чисел, представленных в двоичной системе исчисления (см. рис. 5.20. и 5.21).

Схема алгоритма управления технологическим циклом состоит из прямоугольников и ромбов. Прямоугольники служат для отображения арифметических операций и операций с памятью, а ромбы служат для задания логических условий. Графические элементы схемы алгоритма соединяют стрелками, указывающими точную последовательность выполняемых операций (см. рис. 5.22 и 5.23).

 

6.

Техническое, программное, и информационное обеспечение – основные задачи проектирования АСУТП.

Техническое обеспечениевключает в себя выбор комплекса типовых технических средств, необходимых для реализации заданных функций АСУТП, и проектирование необходимого специального оборудования.

Программное обеспечениеподразделяется на системное(операционные системы и системы управления базами данных), инструментальное (системы автоматизированного проектирования и разработки УП) и прикладное (совокупность УП).

Информационное обеспечение – это единая система технологической, технико-экономической и справочной информации, обеспечивающая нормальное функционирование АСУТП.

Этапы разработки АСУТП: разработка технического задания, выполнение технического проекта, создание рабочего проекта, процесс внедрения в производство.

 

7.

Система программного управления (СПУ) –это АСУТП, которая обеспечивает управление ТО по заранее подготовленной и введенной в УВМ на специальном программоносителе программе, включая программу управления технологическим циклом.

Программируемый логический контроллер (ПЛК) –выпускаемое серийно управляющее устройство, построенное на базе микро-ЭВМ и предназначенное преимущественно для управления технологическим циклом. Имеет модульную конструкцию.

УЧПУ– комплектная система числового программного управления (ЧПУ), построенная на базе компьютера. В УЧПУ величины перемещений рабочих органов и другие параметры техпроцесса задаются в числовой форме.

Гибкая производственная система (ГПС)– наиболее сложный и разветвленный вид СПУ, решающий, помимо задач АСУТП, задачи САПР, АСТПП и текущего планирования. Состоит из ЦУВМ и гибких производственных модулей (ГПМ).

Локальные СПУ– это ПК и УЧПУ, управляющие отдельными ГПМ.

Основные функции локальных СПУ: централизованный контроль, регулирование техпроцесса, включая следящее управление перемещениями, программно-логическое управление технологическим циклом, ввод и отображение информации, включая УП, обмен информацией, диагностика СПУ и основного оборудования.

Основные модули в составе ПЛК:микропроцессорный модуль, интерфейсы связи с ЦУВМ и ЛУВМ, дискретные и аналоговые модули ввода-вывода, программатор, модуль питания и др.

Языки символического кодирования ПЛК строятся в соответствии со стандартом IEC 61131-3 и включают в себя:

- язык «лестничных диаграмм» LD, или язык РКС;

- язык набора инструкций IL, или язык булевых логических формул;

- еще три языка кодирования, более сложных.

Линейная интерполяция –задание и отработка перемещения рабочих органов по прямой между заданными опорными точками.

Круговая интерполяция –задание и отработка перемещения рабочих органов по окружности. Помимо координат начала и конца программируемой дуги, при круговой интерполяции задают также координаты центра окружности, часть которой составляет данная дуга.

Эквидистанта– траектория перемещения инструмента, заданная с учетом габаритов последнего.

Программное обеспечение УЧПУделится на системное, инструментальное и прикладное. Управляющие программы (УП) создаются с помощью инструментального программного обеспечения, входящего в комплект программного обеспечения УЧПУ, и составляют прикладное программное обеспечение.

ISO-7– стандартизированный на международном уровне язык программирования УЧПУ. В коде ISO-7 программа строится в виде последовательности кадров, каждый кадр - из последовательности слов.Первый символ каждого слова – латинская буква, а остальные символы являются арабскими цифрами.

Исполнительные устройства УЧПУподразделяются на устройства с цикловым управлением, обеспечивающим лишь включение и отключение исполнительных механизмов, с позиционным управлением, обеспечивающим позиционирование, т.е. вывод исполнительного механизма в заданную точку и фиксацию его в этой точке. Наиболее сложны исполнительные устройства с контурным управлением, обеспечивающим перемещение исполнительных механизмов по произвольным траекториям с заданной точностью отработки траектории.

 

 

Введение

В настоящее время происходит быстрое развитие производства и применения самодействующих машин и аппаратов, увеличение количества производственных процессов, ведущихся по типу безлюдной технологии. Различные автоматические устройства проникают во все сферы человеческой деятельности, включая науку, производство и быт. Для инженера любой специальности стало необходимым ознакомление с теоретическими основами и практическими приложениями автоматизации применительно к его профессиональным интересам. Это особенно важно для инженеров-электриков, специализирующихся в области автоматизированного электропривода, поскольку большая часть их профессиональной деятельности состоит в создании оборудования для автоматизации различных технологических процессов, его наладке и эксплуатации в производственных условиях.

Обычный курс автоматизации технологических процессов строится на базе технологии определенного производства: машиностроительного, металлургического, химического, текстильного и др. В нем много места уделяется частностям, которые весьма существенны для специалистов соответствующих производств, но не так существенны для инженеров, работающих в сфере создания и эксплуатации систем управления технологическим оборудованием. Специалистам по автоматизированному электроприводу важно получить представление об общих задачах, решаемых автоматизацией в современном высокомеханизированном и автоматизированном производстве, о месте электропривода в системах автоматизации. Они должны изучить основы теории автоматизации технологических процессов и научиться решать простые технические задачи, связанные с проектированием, выбором аппаратной части автоматизированных систем, разработкой алгоритмов и программного обеспечения их функционирования в конкретных условиях эксплуатации.

Термин автоматизация относится к весьма широкому классу производственных процессов и других систем организации трудовой и иной деятельности человека, в которых значительный объем операций, относящихся к процессам получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов и особенно информации, передается специализированным техническим устройствам, средствам механизации и управляющим машинам. Автоматизированные процессы, в том числе управление, регулирование и (частично) контроль над ними, протекают автономно, в соответствии с заранее подготовленной и введенной на специальном программоносителе программой, так что не возникает необходимости непосредственного участия человека в их нормальном функционировании. На долю обслуживающего персонала остаются лишь функции общего контроля, а в случае необходимости – ремонта и наладки. Механизация, заключающаяся в замене ручного труда, физических усилий человека машинными операциями, является непременным элементом автоматизации. В отличие от простой механизации автоматизация обязательно включает в себя передачу управляющим машинам операций по управлению и организации автоматизируемого процесса в соответствии с заранее сформулированной и, возможно, уточняемой во время реализации процесса целью. Цели автоматизации многообразны. Они могут включать в себя решение задач повышения производительности и эффективности труда, улучшения качества продукции, оптимизации управления, обеспечения безопасности трудовой деятельности человека, охраны окружающей среды и др.

Цели автоматизации реализуются с помощью автоматизированных систем управления (АСУ), АСУ – это совокупность математических методов, технических средств (основные из них - это компьютеры и др. микропроцессорные устройства), их программного обеспечения и организационных комплексов, обеспечивающих управление и контроль параметров автоматизируемых объектов в соответствии с поставленной целью их автономного функционирования. Среди объектов автоматизации выделяют:

1) технологические, энергетические, транспортные и другие производственные процессы;

2) проектирование различных агрегатов и машин, судов, зданий и иных сооружений, производственных комплексов;

3) организацию, планирование и управление в рамках цеха, предприятия, стройки, войсковой части и др.;

4) научные и технические исследования, медицинское диагностирование, учет и обработку статистических данных, программирование, бытовую технику, охранные системы и пр.

Из всего перечисленного многообразия автоматизируемых объектов мы будем рассматривать только технологические процессы промышленного производства. При автоматизации последних функции управления и контроля, ранее выполнявшихся человеком, передаются автоматическим управляющим устройствам и контрольно-измерительной аппаратуре. Одновременно совершенствуется механизация отдельных рабочих операций. Управляющие устройства, получая информацию по каналам обратной связи об изменении контролируемых параметров, таких как размеры обрабатываемых изделий, скорость обработки, температура, формируют, в соответствии с заданной программой обработки, управляющие сигналы, обеспечивающие выполнение программы обработки в оптимальном рабочем режиме.

В первой главе рассмотрены общие вопросы автоматизации технологических процессов, основные функции и структура АСУТП. Поскольку управление технологическим процессом становится возможным благодаря информационным процессам, которые формируются параллельно текущему техпроцессу, то во второй главе рассмотрены элементы теории информации применительно к формированию информационных процессов управления. Особое внимание здесь уделено вопросам кодирования информации в двоичных кодах, так как эти коды являются базой функционирования всех современных управляющих устройств. Глава завершается рассмотрением способов организации обмена информацией посредством ее передачи по каналам связи в рамках АСУТП.

Построение АСУТП невозможно без достаточно точного и подробного описания свойств и характеристик управляемого технологического объекта (ТО). Поэтому третья глава посвящена изложению аналитических и экспериментальных методов создания модели ТО, отображающей указанные свойства и характеристики.

Центральное место в учебном пособии занимают главы 4 и 5, посвященные методам анализа и синтеза алгоритмов управления АСУТП. В алгоритмах управления отображаются намечаемые способы решения задач АСУТП по стабилизации и программному управлению параметрами и режимами ТО, обеспечивающее протекание техпроцессов в соответствии с заданным критерием оптимальности. Особое внимание уделено рассмотрению способов оптимизации режимов функционирования ТО с линейными и нелинейными характеристиками и созданию блок-схем алгоритмов управления. Последние являются основой создания управляющих программ в процессе программирования аппаратной части систем автоматизации.

В шестой главе освещены этапы проектирования АСУТП, начиная с выбора необходимых технических средств построения АСУТП, разработки технического задания и кончая рабочим проектированием. В заключение, в седьмой главе, рассмотрены в качестве примера вопросы построения систем автоматизации в машиностроении на базе УЧПУ и программируемых логических контроллеров.

    Изучение курса следует проводить последовательно, раздел за разделом, проверяя степень усвоения материала ответами на контрольные вопросы. Работу над пособием следует сочетать с приобретением некоторых практических навыков путем выполнения контрольных заданий с использованием рекомендуемых компьютерных программ.

 

Контрольные вопросы к введению

1. Каково значение курса автоматизации в системе подготовки специалистов по автоматизированному электроприводу?

2. Дайте определение термину автоматизация и обрисуйте роль обслуживающего персонала в автоматизированных системах.

3. В чем отличие автоматизации от простой механизации?

4. Каковы цели автоматизации производственных процессов?

5. Дайте определение АСУ.

6. Перечислите основные объекты и области автоматизации.

7. В чем заключается автоматизация технологических процессов?

8. Какова структура данного учебного пособия?

 

Глава 1. Автоматизированные системы управления технологическими процессами

 

АСУТП как основа автоматизации технологических процессов

Общие вопросы автоматизации организации и управления производством решаются на уровне автоматизированных систем управления производством (АСУП) по отраслям. Технологическая подготовка производства по отраслям производится в рамках систем автоматизированного проектирования (САПР) и автоматизированных систем технологической подготовки производства (АСТПП), действующих в соответствии с подготовленной помощью САПР проектной документацией. Непосредственное управление технологическими процессами изготовления запланированной продукции возлагается на автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП).

Принято отделять проблемы автоматизации организации и управления производством, решаемые на уровне АСУП, от технико-технологических вопросов автоматизации, решаемых на уровне САПР и АСУТП. Последние образуют единый комплекс автоматизированных производственных систем, обычно называемых гибкими производственными системами (ГПС), которые на международном уровне принято именовать системами CAD-CAM, причем системы CAD объединяют функции САПР и АСТПП. В настоящее время создание ГПС является основной задачей автоматизации по отраслям народного хозяйства.

Системы САПР и АСТПП являются специфическими для каждой отрасли производства, а в структуре АСУТП имеется много общего. Эта общность обусловлена тем, что в АСУТП применяются преимущественно электромеханические исполнительные устройства. Прежде всего, укажем на технологические процессы, связанные с изменением формы исходного материала, такие как обработка резанием, прокатка, бумажное, текстильное производство и др., в которых основными рабочими движениями являются перемещения рабочих органов, осуществляемые с помощью электроприводов. Автоматизированные электромеханические комплексы применяются также при добыче сырья в горной, нефтяной и газовой отраслях, при первичной обработке, хранении и транспортировке зерна и другой продукции сельского хозяйства. Разнообразные автоматизированные транспортные системы, применяемые для перемещения твердых, жидких и газообразных продуктов, такие как электропогрузчики, грузовые подъемники, насосные станции и трубопроводные системы имеют в качестве исполнительных устройств силовые электроприводы, а сервоприводы широко применяются в системах управления. Но и в технологических процессах, связанных с изменением агрегатного и физико-химического состояния исходных материалов, подача сырья на обработку и транспортировка готовой продукции производится с помощью электромеханических или управляемых с помощью электромеханических агрегатов транспортных систем. По перечисленным причинам основное внимание в данном курсе уделено изучению АСУТП с электромеханическими исполнительными устройствами.

Главной задачей АСУТП является повышение эффективности производства путем замены человека-оператора аппаратными средствами, устройствами автоматического управления. С этих позиций определим АСУТП как совокупность аппаратных средств и их программного обеспечения, предназначенных для управления технологическими объектами, которая обеспечивает оптимальный уровень автоматизации сбора, накопления и переработки информации и формирование таких управляющих воздействий на исполнительные устройства, что работа управляемого объекта происходит в оптимальном режиме.

Технологическим объектом (ТО) мы здесь называем совокупность технологического оборудования и реализованного на нем производственного процесса. Что касается критериев оптимальности (эффективности) функционирования технологических объектов, то кроме обычно решаемой задачи достижения наибольшего экономического эффекта укажем на всегда актуальные проблемы охраны здоровья работающих и сохранения окружающей среды. Наибольшая экономическая эффективность достигается оптимальным сочетанием средств САПР и АСУТП с учетом требовании охраны труда и окружающей среды.

 


Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 270;